我国氢能源开发与生物制氢研究现状
我国氢能源开发与生物制氢研究现状
刘江华，方新湘，周华
(中国石油克拉玛依分公司炼油化工研究院，新疆克拉玛依　834000)
摘　要：氢能是高效清洁环保型能源，在我国发展氢能源具有重要的战略意义。生物制氢在开发氢能源方面具有重要的现实地位，生物制氢技术目前仍处于研究探索阶段，应加快发展生物制氢技术研究的步伐，早日实现这一技术的产业化。
  关键词：氢能；清洁高效能源；生物制氢
The State of H ydrogen E nergy R&D and Biohydrogen Study in China LI U Jiang -hua ,FANG X in -xiang ,ZH OU Hua
  (Refining &Petrochemical Researching Institute ,Karamay Petrochemical Branch Co.o f CN PC ,Karamay 834000,China )
Abstract :Hydrogen is a best kind of green energy with high calorific value.Its development has very im por 2tant denotation of strategy in our country.Hydrogen produced using living things possesses very im
portant and realis 2tic status in hydrogen exploited.At present ,technology of hydrogen produced using living things is at researched and explored stage.It must to be accelerated in researching side and must to be achieved industrialization as early as possible.
K ey w ords :hydrogen energy ;green energy with high calorific value ;Hydrogen produced using living things 1　氢能概述
氢能，是指氢与氧反应放出的能量。作为能源，氢能有以下主要特点:(1)氢的放热效率高，燃烧1g 氢可以放出14×104J 的热量，约为燃烧1g 汽油放热的3倍。(2)氢气在燃烧过程中，除释放出巨大的能量外，产生的废物只有水，不会造成环境污染，因而又被称为“清洁燃料”。(3)氢气的密度小、能够储藏，与难储存的电相比，具有显著的优越性。(4)氢的用途极为广泛，它不但能燃烧生热，而且还可以产生化学能，并作为吸热的介质等。长期以来煤炭、石油等矿物燃料的广泛使用，已对全球环境造成严重污染，甚至对人类自身的生存造成威胁；同时矿物燃料是不可再生能源，也会随着过度开采而枯竭。因此，新型替代型清洁能源的开发与应用是大势所趋，氢能作为理想的清洁能源之一，已引起人们的广泛重视。有科学家认为，氢能是未来能源结构中最具发展潜力的清洁能源之一，将以其优异的使用性能在未来能源领域中扮演重要的角。
2　我国加快开发氢能源的必要性
作为绿高效的清洁能源，氢能的开发备受关注。国际能源工业对氢能的态度非常认真，壳牌公司和BP 公司均在公司设立了氢能研究的核心部门。埃克森石油公司与大众和丰田汽车公司联合组成小组发展氢燃料电池。TEX AC O 公司已成为氢贮藏技术的主要投资者，公司主管弗兰克・英格斯利2002年4月对美国国会代表小组说:“绿、创新和市场力量无情地催促我们向氢能源方向发展，落后于潮流的人将追悔莫及”。国家重点基础研究发展规划项目氢能领域首席科学家、清华大学教授毛宗强指出，人类已经进入21世纪，从发展趋势看，未来经济一定是一种节能型经济和清洁型经济。节能型经济就是高效率经济，据专家预测，新世纪能源消耗将减少70%～80%；清洁型经济即环保型经济，要求尽量使用清洁能源，如太阳能、风能、水力能、生物质能、氢能等，它有利于环保和人民身心健康。此外还
新疆农业科学　2004,41(专刊):85～87X injiang Agricultural Sciences
有一个重要的原因，我国汽车工业进入了一个高速发展的阶段，氢燃料电池电动汽车的成功开发为氢能的利用开辟了无限广阔的发展空间。自1995年始，我国国民经济每年都保持着7%以上的增长率，交通能源消耗正以每年一个百分点的速度上升。1990年我国石油进口几乎为零，而从1994年开始持续增长,1997年石油进口占到石油消费总量的15%,2000年占到石油消费总量的20%，根据这一速度推算,2020年我国60%的石油消费将依赖进口。因而从战略的角度出发，我国也非常有必要加紧研究氢能的开发利用。
3　生物制氢在氢能源开发中的重要地位
311　我国制氢工业的历史较长，方法也很多，目前重要的方法有以下几种
从含烃的化石燃料中制氢，这是过去以及现在采用最多的方法。它是以煤、石油或天然气等化石燃料作原料来制取氢气。用蒸汽和煤作原料来制取氢气的基本反应过程为:C +H 2O →C O +H 2，用蒸汽和天然气作原料的制氢化学反应为:CH 4+H 2O →C O +3H 2
上述反应均为吸热反应，反应过程中所需的热量可以从煤或天然气的部分燃烧中获得，也可利用外部热源。自从天然气大规模开采后，现在氢的制取有96%都是以天然气为原料。天然气和煤都是宝贵的燃料和化工原料，其储量有限，且制氢过程会对环境造成污染。用它们来制氢显然摆脱不了人们对常规能源的依赖和对自然环境的破坏。
312　电解水制氢
这种方法是基于如下的氢氧可逆反应:2H 2O 2+O 2
分解水所需要的能量是由外加电能提供的。为了提高制氢效率，电解通常在高压下进行，采用的压力多为3.0～5.0MPa 。目前电解效率为50%～70%。由于电解水的效率不高且需消耗大量的电能，因此利用常规能源生产的电能来进行大规模的电解水制氢显然是不合算的。
3.3　热化学制氢
这种方法是通过外加高温热使水起化学分解反应来获取氢气。到目前为止虽有多种热化学制氢方法，但总效率都不高，仅为20%～50%，而且还有许多工艺问题需要解决。依靠这种方法来大规模制氢还有待进一步研究。
利用微生物在常温常压下进行酶催化反应可制得氢气。这方面的最初探索大概在1942年前后。科学家们首先发现一些藻类的完整细胞，可以利用阳光产生氢气流。7年之后，又有科学家通过试验证明某些具有光合作用的菌类也能产生氢气。此后，许多科学工作者从不同角度展开了利用微生物产生氢气的研究。近年来，已查明在常温常压下以含氢元素物质(包括植物淀粉、纤维素、糖等有机物及水)为底物进行生物酶催化反应来制得氢气的微生物可分为五个种类，即：异养型厌氧菌、固氮菌、光合厌氧细菌、蓝细胞和真核藻类。其中蓝细胞和真核藻类产氢所利用的还原性含氢物质是水；异养型厌氧菌、固氮菌、光合厌氧细菌所利用的还原性含氢物质则是有机物。按氢能转化的能量来源来分，异养型厌氧菌，固氮菌依靠分解有机物产生ATP 来产氢；而真核藻类、蓝细胞、光合厌氧细菌则能通光合作用将太阳能转化为氢能。
与传统制氢工业相比，生物制氢技术的优越性体现在：所使用的原料极为广泛且成本低廉，包括一切植物、微生物材料，工业有机物和水；在生物酶的作用下，反应条件为温和的常温常压，操作费用十分低廉；产氢所转化的能量来自生物质能和太阳能，完全脱离了常规的化石燃料；反应产物为二氧化碳，氢气和氧气，二氧化碳经过处理仍是有用的化工产品，可实现零排放的绿无污染环保工程。由此可见，
发展生物制氢技术符合国家对环保和能源发展的中、长期政策，前景光明。生物制氢以生物活性酶为催化剂，利用含氢有机物和水将生物质能和太阳能转化为高能量密度的氢气。
4　生物制氢的研究现状
利用微生物生产氢气，国外一直进行着纯菌种、固定化的研究模式，其产氢水平仍处于实验室研究阶段。有资料报道：采用活力强的产气夹膜杆菌，在容积为10l 的发酵器中，经8h 发酵作用后，产生约
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45l 氢气，最大产氢气速度为18～23l/h ；泰国的Watanabed 在曼谷分离的Rhodobacter S phaeroides B 6以乳酸为底物,1g 干菌体产氢能力为62.5ml H 2/h ，转化率达68.8%，它们都是属于高产菌株。近年来发现有30种化能异养菌可以发酵糖类、醇类、有机酸等产生氢气，其中有些细菌产氢气能力较强，发酵1g 重的葡萄糖可以产生约l/2l 的氢气，葡萄糖总利用率达65%以上；而天然产氢的光合细菌据报道也有十几种之多，其中也有些细菌产氢气能力较强。
2001年1月，我国以厌氧活性污泥和有机质废水为生产原料的有机废水发酵法生物制氢技术在哈尔滨工业大学通过中试研究验证，该项研究在国内外首创并实现了中试规模连续非固定化菌种长期持续生物制
氢技术，并实现了中试规模连续流长期持续产氢。是生物制氢领域的一项重大突破，其成果处国际领先地位。该技术突破了生物制氢技术必须采用纯菌种和固定技术的局限，开创了利用非固定化菌种生产氢气的新途径，中试试验表明，在一个容积为50m 3的容器中，含糖或植物纤维的废水发酵后，每天能产生280m 3左右的氢气，纯度达99%以上，产氢能力达5.7m 3H 2/m 3・d ，氢气产率比国外同类的小试研究高几十倍，生产成本约为目前采用的电解水法制氢成本的一半。这一开创性成果利用淀粉厂，食品厂等含高碳水化合物的工厂下水发酵制氢，具有广阔的应用前景和较好的环境效益、经济效益和社会效益。
从国内外生物制氢技术的研究现状看，虽然利用微生物产氢目前尚处于研究探索或小规模试产阶段，离大规模工业化生产尚有不小距离。但是，有关这方面的研究进展，展现了利用微生物生产清洁燃料氢气的广阔前景。在探索利用微生物生产氢气的道路上，需要不断寻产氢气能力高的各种微生物，深入研究微生物产氢的原理和条件，完成天然菌种的人工训化，在此基础上，设计出相应的大规模生产装置系统，达到高产、稳产、低成本三项指标，推进生物制氢工业化革命的到来。
5　结束语
目前，氢能做为二次能源，其用途主要有以下几个方面：液氢作为一种高能燃料用于航天飞机、火箭及城市公共汽车中，据报道，世界上一些发达国家在1993年就已经开发出以液氢为燃料的城市公共汽车；
氢气作为保护气应用于电子工业中，如在集成电路、电子管、显象管等的制备过程中，都是用氢作为保护气的；在炼油工业中用氢气对石脑油、燃料油、粗柴油、重油等进行加氢精制，提高产品的质量及除去产品中的有害物质如硫、氮及重金属，还可以对不饱和烃进行加氢精制；氢气在冶金工业中可以作为还原剂将金属氧化物还原为金属，在金属高温加工过程中可以作为保护气；在食品工业中，食用的拉油就是对植物油进行加氢处理的产物，植物油加氢处理后性能稳定、易存放，且有抵抗细菌生长、易被人体吸收的功效；在精细有机合成工业中，氢气也是重要的合成原料之一；在合成氨工业中氢气是重要的原料之一；氢气还可以作为填充气在气象观测中应用；在分析测试中氢气可以做为标准气，在气相谱中氢气可以作为载气。值得着重说明的是，近十几年发展起来的氢燃料电池可直接应用于航天航海和陆地交通运输，氢能作为未来最有前途的新能源地位已初见端倪。开发生物制氢技术关键在于如何选育到产氢性能优异、适合工程化处理的细菌，实现生物制氢技术的工业化。
参考文献
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